Pulsar: Der 30-Kilometer-Stern, der hundertmal pro Sekunde rotiert

Ein Pulsar kann nicht breiter als 30 Kilometer sein, doch er rotiert on seiner Achse hundertmal pro Sekunde und schleudert dabei einen Strahl von Radiowellen hinaus – und seltener hochenergetischere Strahlung wie Röntgenstrahlen. Da dieser Strahl die Erde nur erreicht, wenn er zufällig vorbeifegt, zeichnen Radioteleskope ihn als schnellen, regelmäßigen Puls auf und nicht als gleichmäßiges Licht, weshalb der Name herrührt.

Astronomen haben nun mehr als 2.600 dieser Objekte katalogisiert, die meisten in der Milchstraße. Weit entfernt davon, eine Kuriosität zu sein, wurde dieser Katalog zu einem funktionierenden wissenschaftlichen Werkzeugkasten: Forscher nutzen Pulsare, um nach niederfrequenten Gravitationswellen zu suchen, die Struktur der Galaxie zu kartieren und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie unter Bedingungen zu testen, die kein Labor auf der Erde je nachbilden könnte.

Im Folgenden finden Sie die Geschichte, wie Pulsare gefunden wurden, die merkwürdigen Rekorde, die einige von ihnen halten, und was Jahrzehnte der Beobachtung dieser kosmischen Uhren Physikern über die Gravitation selbst gelehrt haben.

1967 entdeckte Jocelyn Bell Burnell die ersten Radiospulsare, während sie noch an ihrer Doktorarbeit arbeitete. Sie scannte nicht nach einem Signal auf einem Bildschirm – ihre Nachverfolgungsgeräte produzierten jeden einzelnen Tag mehr als 30 Meter Papieraufzeichnungen mit Stift und Papier, und die seltsamen, gleichmäßigen Ausschläge mussten mit bloßem Auge zwischen dem Rauschen erkannt werden.

Diese Art von geduldiger, manueller Datensichtung ist leicht zu vergessen, sobald eine Entdeckung zur Schulbuchphysik wird, aber sie ist genau das, wie aus einem unerklärten Signal eine ganz neue Sternklasse entstand.

1974 wurden Antony Hewish und Martin Ryle die ersten Astronomen überhaupt, die mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden, teilweise für Hewishs entscheidende Rolle bei der Enthüllung von Pulsaren. Es bleibt einer der am meisten diskutierten Nobelpreise in der Astronomie, weil die Entdeckung, die ihn möglich machte, Bell Burnells war: Ihre Entdeckung verdiente den Nobelpreis für Physik von 1974, doch sie selbst wurde nicht unter den Preisträgern genannt.

Diese Episode ist zum Standardreferenzpunkt in Gesprächen über Anerkennung in der Wissenschaft geworden – nicht, weil jemand daran zweifelt, was sie gefunden hat, sondern wegen der Frage, wen der Nobelkomitee belohnen wählte, um es gefunden zu haben.

Nicht jeder Pulsar sitzt still im leeren Raum. Der Krab-Pulsar sitzt im Zentrum der Krabnebel, dem Wrack einer Supernova, die Beobachter auf der Erde im Jahr 1054 aufleuchten sahen – Jahrhunderte bevor jemand verstand, was sie sahen.

Der Krab-Pulsar selbst ist etwa 20 Kilometer groß, klein genug, um in eine mittelgroße Stadt zu passen, und er absolviert eine vollständige Rotation alle 33,392 Millisekunden. Das bedeutet, dass seine Strahlen einen Beobachter etwa 29,946-mal pro Sekunde vorbeifegen – schnell genug, dass die umgebende Nebel in einem Takt mit der Rotation leuchtet und flackert.

Gewöhnliche Pulsare sind bereits schnell, aber eine separate Klasse treibt die Idee viel weiter. PSR B1937+21 hat einen historischen Titel: 1982 entdeckt, war es der erste bekannte Millisekundenpulsar, und er rotiert mit etwa 641 Umdrehungen pro Sekunde. Fast ein Jahrhundert später rangiert er immer noch als der zweithäufigste unter den etwa 200 bekannten Millisekundenpulsaren – eine Erinnerung daran, wie extrem diese Objekte sein können.

Pulsare stellten sich heraus, eine weitere Überraschung zu verbergen: Planeten. 1992 entdeckte Aleksander Wolszczan die ersten außersolaren Planeten, die je bestätigt wurden, die den Pulsar PSR B1257+12 umkreisen – Jahre bevor jemand einen Planeten um einen normalen, sonnenähnlichen Stern erkannte.

Einer der Planeten dieses Systems, katalogisiert als PSR B1257+12 b, ist bemerkenswert klein: Seine Masse liegt knapp unter dem Doppelten des Mondes und bleibt somit das am wenigsten massive jemals bestätigte Objekt außerhalb unseres Sonnensystems. Ein Planet um einen Pulsar zu finden, war schon überraschend; einen so leichten zu finden, war fast ein Zufall.

Im selben Jahr, in dem Hewish und Ryle ihren Nobelpreis erhielten, hatten die Physiker Joseph Hooton Taylor Jr. und Russell Hulse bereits 1974 etwas möglicherweise Ebenso Wichtiges gefunden: den ersten bekannten Pulsar, der einen anderen Stern umkreist, bezeichnet als PSR B1913+16. Da die Pulse eines Pulsars mit Uhrwerkgenauigkeit ankommen, ermöglichte das Timing der Pulse Physikern, dieses Doppelsternsystem mit außerordentlicher Genauigkeit zu messen.

Jahrzehnte dieses Timings erbrachten Massenschätzungen von 1,4398 Sonnenmassen für den Pulsar und 1,3886 Sonnenmassen für seinen Begleiter – Zahlen, die präzise genug sind, um eine subtile Vorhersage der Relativitätstheorie zu erkennen. Die Umlaufbahn des Paares schrumpft mit 0,997-facher Geschwindigkeit, die Einsteins Gravitationswellendämpfung vorhersagt – etwa so nah an einer perfekten Übereinstimmung zwischen Theorie und Beobachtung, wie man in der Astrophysik kommt.

Beinahe jeder bekannte Pulsar ist das, was Astronomen einen Neutronenstern-Pulsar nennen – aber nicht alle. Im Doppelsternsystem AR Scorpii stammt das gepulste Licht nicht von einem Neutronenstern, sondern von einem weißen Zwerg: einem hochmagnetisierten Sternrelikt mit einer Feldstärke von bis zu 500 MG, dessen Abbremsung die gleichen Pulse antreibt wie bei einem Neutronenstern.

Das macht AR Scorpii zum ersten bestätigten Beispiel eines weißen Zwerg-Pulsars und dehnt die Definition von „Pulsar" weit über den Objekttyp hinaus, der ihm ursprünglich einen Namen gab.

Die Suche nach mehr Pulsaren wird ständig leistungsfähiger. Australiens Parkes-Radioteleskop machte seine erste Pulsarbeobachtung 1968 und ist seitdem zur nationalen Ikone geworden, die neben einem Pulsarbild auf der ersten australischen 50-Dollar-Banknote erscheint. Kürzlich ist Chinas FAST-Radioteleskop – sein vollständiger Name ist das Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – zu einem der leistungsstärksten Instrumente geworden, die derzeit den Himmel nach neuen Pulsaren durchsuchen.

Zwischen empfindlichen neuen Teleskopen und Jahrzehnten geduldiger Timing-Daten zeigt sich die Pulsarwissenschaft nicht verlangsamt; die Objekte, die als unerklärtes Muster auf einem Papierstreifen begannen, sind zu einem der produktivsten Werkzeuge der Astrophysik geworden.

• Phys.org: Vor fünfzig Jahren entdeckte Jocelyn Bell Pulsare und veränderte unseren Blick auf das Universum
• arXiv: Timing Measurements of the Relativistic Binary Pulsar PSR B1913+16
• arXiv: Polarimetric evidence of a white dwarf pulsar in the binary system AR Scorpii
• Wikipedia: Pulsar
• Wikipedia: Jocelyn Bell Burnell
• Wikipedia: Crab Pulsar
• Wikipedia: Millisecond pulsar